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가장 중요한 과학적 발견
엑스레이 방사선. 과학적 발견의 역사와 본질
1896년 XNUMX월, 뷔르츠부르크 대학교 교수 빌헬름 콘라트 뢴트겐의 놀라운 발견에 대한 신문 보도의 태풍이 유럽과 미국을 휩쓸었습니다. 나중에 밝혀진 바와 같이 교수의 아내 인 Bertha Roentgen의 손 사진을 인쇄하지 않은 신문은 없었던 것 같습니다. 그리고 실험실에 갇힌 Roentgen 교수는 그가 발견한 광선의 특성을 계속해서 집중적으로 연구했습니다. X선의 발견은 새로운 연구에 자극을 주었다. 그들의 연구는 새로운 발견으로 이어졌고 그 중 하나는 방사능의 발견이었습니다. 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐 (1845-1923)은 프로이센의 렘샤이트(Remscheid) 근처의 작은 마을인 레넵(Lennep)에서 성공적인 섬유 상인 프리드리히 콘라드 뢴트겐(Friedrich Conrad Roentgen)과 샤를로테 콘스탄스(Charlotte Constance (nee Frowijn) Roentgen)의 외동딸로 태어났습니다. 1862년에 빌헬름은 위트레흐트 기술 학교에 입학했습니다. 1865년 뢴트겐은 기계 공학자가 되려고 취리히에 있는 연방 공과 대학에 학생으로 등록했습니다. XNUMX년 후 빌헬름은 졸업장을 받았고 XNUMX년 후 취리히 대학교에서 박사 학위 논문을 변호했습니다. 그 후, Roentgen은 Kundt에 의해 실험실의 첫 번째 조수로 임명되었습니다. 뷔르츠부르크 대학(바이에른)에서 물리학 교수를 받은 쿤트는 조수를 데려갔습니다. 뷔르츠부르크로의 이전은 뢴트겐의 "지적 오디세이"의 시작이었습니다. 1872년 쿤트와 함께 스트라스부르 대학으로 옮겨 1874년 그곳에서 물리학 강사로 강의 경력을 시작했습니다. 1875년에 Roentgen은 독일 Hohenheim에 있는 Agricultural Academy의 물리학 교수가 되었고 1876년에는 스트라스부르로 돌아와 그곳에서 이론 물리학 과정을 읽기 시작했습니다. 스트라스부르에서 Roentgen이 수행한 실험 연구는 물리학의 다양한 분야에 영향을 미쳤으며 그의 전기 작가 Otto Glaser의 말에 따르면 Roentgen은 "미묘한 고전 실험 물리학자"라는 명성을 얻었습니다. 1879년에 뢴트겐은 헤세 대학의 물리학 교수로 임명되어 1888년까지 그곳에서 머물렀고 예나와 위트레흐트 대학에서 연속적으로 물리학의 학장을 맡겠다는 제안을 거부했습니다. 1888년 그는 물리학 교수이자 물리학 연구소 소장으로 뷔르츠부르크 대학으로 돌아왔습니다. 1894년 뢴트겐이 대학의 총장으로 선출되었을 때 그는 유리 진공관의 방전에 대한 실험적 연구를 시작했습니다. 8년 1895월 XNUMX일 저녁, 뢴트겐은 평상시처럼 실험실에서 음극선을 연구하고 있었습니다. 자정쯤 지쳐서 떠나려던 그는 연구실을 둘러보다가 불을 끄고 문을 닫으려는데 갑자기 어둠 속에서 어떤 빛을 발하는 것을 발견했다. 알고보니 바륨 시너지로 만든 화면이 빛나고 있었다. 그는 왜 빛나고 있습니까? 해가 진 지 오래되었고 전등이 빛을 발할 수 없었고 음극관이 꺼져 있었고 추가로 검은 판지 덮개로 덮여있었습니다. Roentgen은 음극관을 다시보고 자신을 비난했습니다. 끄는 것을 잊은 것으로 나타났습니다. 스위치에 대한 느낌으로 과학자는 수신기를 끕니다. 사라지고 화면의 빛; 수신기를 다시 켰고 빛이 다시 나타났습니다. 이것은 빛이 음극관에 의해 발생한다는 것을 의미합니다! 하지만 어떻게? 결국 음극선은 덮개에 의해 지연되고 튜브와 화면 사이의 공극은 갑옷입니다. 그리하여 발견의 탄생이 시작되었습니다. 순간적인 놀라움에서 회복한 Roentgen은 발견된 현상과 그가 엑스레이라고 부르는 새로운 광선을 연구하기 시작했습니다. 음극선이 가려지도록 케이스를 튜브에 남겨두고 손에 스크린을 들고 실험실을 돌아 다니기 시작했습니다. 이 미지의 광선에는 XNUMX미터에서 XNUMX미터가 장애물이 아닌 것으로 밝혀졌습니다. 그들은 책, 유리, 프레임을 쉽게 관통합니다... 그리고 과학자의 손이 알려지지 않은 광선의 경로에 있었을 때 그는 화면에서 그녀의 뼈 실루엣을 보았습니다! 환상적이고 오싹합니다! 그러나 Roentgen의 다음 단계는 사진 판이 놓인 캐비닛으로의 단계 였기 때문에 이것은 XNUMX 분에 불과합니다. 그가 사진에서 본 것을 수정해야합니다. 그리하여 새로운 야간 실험이 시작되었습니다. 과학자는 광선이 플레이트를 비추고 튜브 주위에서 구형으로 발산하지 않고 특정 방향을 가지고 있음을 발견했습니다 ... 아침에 지친 뢴트겐은 집에 가서 조금 쉬다가 다시 알 수 없는 광선으로 작업을 시작합니다. 대부분의 과학자들은 그러한 발견을 즉시 발표할 것입니다. 반면에 뢴트겐은 자신이 발견한 광선의 특성을 측정하여 그 특성에 대한 데이터를 제공할 수 있다면 메시지가 더 인상적일 것이라고 믿었습니다. 그래서 그는 XNUMX일 동안 열심히 일하면서 마음에 떠오르는 모든 가정을 시험했습니다. X-선은 광선이 다른 장치에서 나온 것이 아니라 관에서 나온 것임을 증명했습니다. 새해 직전인 28년 1895월 XNUMX일에 Roentgen은 동료들에게 완료한 작업을 알리기로 결정했습니다. XNUMX페이지에 걸쳐 그는 수행된 실험을 설명하고 별도의 브로셔 형태로 기사를 인쇄하여 사진과 함께 유럽의 주요 물리학자들에게 보냈습니다. Roentgen은 그의 첫 번째 커뮤니케이션에서 "형광은 충분히 어두워지고 백금-시아노겐 바륨으로 코팅된 면이 있는지 여부에 따라 달라지지 않습니다. 형광은 XNUMX개의 거리에서도 눈에 띄게 나타납니다."라고 썼습니다. 튜브에서 미터.” "형광의 원인이 전도체의 어느 곳이 아니라 방전관에서 오는지 확인하는 것은 쉽습니다." Roentgen은 형광이 튜브 덮개의 검은 판지를 통과하는 어떤 종류의 광선(그는 X선이라고 불렀음)에 의해 발생한다고 제안했는데, 이는 일반 가시광선과 비가시광선은 투과할 수 없었습니다. 그래서 그는 우선 엑스선과 관련된 다양한 물질의 흡수능을 조사했다. 그는 모든 신체가 이 물질을 투과할 수 있지만 정도는 다르다는 것을 발견했습니다. 빔은 1000페이지의 제본된 책을 통과하고 더블 데크의 카드 놀이를 통과했습니다. 2 ~ 3cm 두께의 스프루스 보드는 광선을 거의 흡수하지 않습니다. 약 15mm 두께의 알루미늄 판은 광선을 크게 약화 시켰지만 완전히 파괴하지는 못했습니다. "방전관과 스크린 사이에 손을 대면 손 자체의 그림자의 희미한 윤곽에서 뼈의 어두운 그림자를 볼 수 있습니다." 광선은 사진 판에 작용하며 "카세트나 종이 껍질에 들어 있는 판을 사용하여 조명이 있는 방에서 사진을 찍을 수 있습니다." 그러나 Roentgen은 X선의 반사나 굴절을 감지할 수 없었습니다. 그러나 그는 올바른 반사가 일어나지 않으면 "그래도 다양한 물질은 빛과 관련하여 혼탁한 매질과 같은 방식으로 X선과 관련하여 행동한다"고 확립했습니다. 따라서 Roentgen은 물질에 의한 X선 산란의 중요한 사실을 확립했습니다. 그러나 엑스레이의 간섭을 감지하려는 그의 모든 시도는 부정적인 결과를 낳았습니다. 자기장에 의해 광선을 편향시키려는 시도에서도 부정적인 결과가 나타났습니다. 이것으로부터 뢴트겐은 X선이 음극선과 동일하지 않고 방전관의 유리벽에서 음극선에 의해 여기된다는 결론을 내렸습니다. 그의 보고서의 결론에서 Roentgen은 그가 발견한 광선의 가능한 특성에 대한 질문에 대해 논의합니다. "X선이 실제로 무엇인지 묻는다면(음극선일 수 없음) 강렬한 화학 작용과 형광으로 판단하여 자외선에 기인한다고 볼 수 있습니다. 그러나 이 경우 우리는 즉시 심각한 장애물에 직면합니다. 실제로, X선은 자외선이므로 이 빛은 다음과 같은 특성을 가져야 합니다. a) 공기에서 물, 이황화탄소, 알루미늄, 암염, 유리, 아연 등으로 통과할 때 눈에 띄는 굴절이 발생하지 않습니다. b) 이러한 기관에서 눈에 띄는 정확한 반사를 경험하지 않아야 합니다. c) 모든 일반적인 수단으로 양극화되지 않아야 합니다. d) 흡수는 밀도를 제외하고 신체의 특성에 의존하지 않습니다. 따라서 이러한 자외선은 지금까지 알려진 적외선, 가시광선 및 자외선과 상당히 다르게 작용한다고 가정할 필요가 있습니다. 나는 이것을 결정할 수 없었고 다른 설명을 찾기 시작했습니다. 새로운 광선과 광선 사이에는 어떤 관계가 있는 것 같습니다. 이것은 그림자 이미지, 형광 및 두 가지 유형의 광선에 의해 생성되는 화학적 효과로 표시됩니다. 에테르에서는 가로 방향의 빛 진동 외에도 세로 방향 진동도 가능하다는 것이 오랫동안 알려져 왔습니다. 일부 물리학자들은 그것들이 반드시 존재해야 한다고 믿습니다. 물론 그들의 존재는 아직 명확하게 입증되지 않았기 때문에 그들의 특성은 아직 실험적으로 연구되지 않았습니다. 새로운 광선은 에테르의 세로 진동에 기인해야 하지 않습니까? 나는 이 의견에 점점 더 기울어지고 있음을 고백해야 하며, 물론 더 많은 입증이 필요하다는 것을 알고 있지만 이 가정을 여기에서 자유롭게 표현합니다. 1896년 45월 뢴트겐은 두 번째 통신을 했습니다. 이 커뮤니케이션에서 그는 광선의 이온화 작용에 대한 실험과 다양한 물체에 의한 X선 여기 연구에 대해 설명합니다. 이러한 연구의 결과로 그는 "음극선의 작용 하에서 X선을 여기시키지 않는 단 하나의 고체도 없었다"고 말했습니다. 이로 인해 Roentgen은 강렬한 X선을 생성하기 위해 튜브를 재설계하게 되었습니다. "저는 다음 장치의 방전관을 몇 주 동안 성공적으로 사용해 왔습니다. 음극은 오목한 알루미늄 거울이며, 그 중심에 거울의 축에 대해 XNUMX도 각도로 백금 판으로 되어 있습니다. 양극 역할을 하는 배치됩니다." "이 튜브에서 X선은 양극에서 나옵니다. 다양한 디자인의 튜브를 사용한 실험을 바탕으로 X선의 여기 위치가 X선의 강도와 상관없다는 결론에 도달했습니다. 양극이든 아니든." 이렇게 해서 뢴트겐은 알루미늄 음극과 백금 양극이 있는 X선관의 기본 설계 특징을 확립했습니다. 뢴트겐의 발견은 과학계뿐만 아니라 사회 전반에 큰 반향을 불러일으켰습니다. Roentgen이 자신의 기사에 "새로운 종류의 광선. 예비 통신"이라는 겸손한 제목을 붙였음에도 불구하고 이 기사는 여러 국가에서 큰 관심을 불러일으켰습니다. 비엔나의 Eksper 교수는 New Free Press 신문에 보이지 않는 새로운 광선의 발견을 보고했으며 이미 22년 1896월 XNUMX일 상트페테르부르크에서 대학의 물리학 강당에서 강의 중에 Roentgen의 실험이 반복되었습니다. 뢴트겐 광선은 의학과 기술에서 실용적인 응용을 빠르게 찾았지만, 그 성질의 문제는 물리학에서 가장 중요한 문제 중 하나로 남아 있었습니다. 엑스선은 빛의 입자성과 파동성 사이의 논쟁을 다시 불태웠고 이 문제를 해결하기 위해 많은 실험이 이루어졌다. 1905년, 1917년 X선 연구로 노벨상 수상자인 Charles Barkla(1877-1944년)는 대전체를 방출하는 X선의 능력을 이용하여 산란된 광선을 측정했습니다. 광선의 강도는 전자 현미경이 금빛 잎사귀와 함께 방출되는 속도를 측정하여 결정할 수 있습니다. 훌륭한 실험에서 Barkla는 90차 산란을 일으키는 산란 복사의 특성을 조사했습니다. 그는 90도에서 산란된 방사선이 XNUMX도에서 다시 산란될 수 없다는 것을 발견했습니다. 이것은 X선이 횡파라는 확실한 증거였습니다. 미립자 관점의 지지자들도 가만히 있지 않았습니다. William Henry Bragg(1862–1942)는 그의 데이터를 뢴트겐 광선이 입자라는 증거로 간주했습니다. 그는 뢴트겐의 관찰을 반복했고 하전된 물체를 방출하는 X선의 능력을 확신하게 되었습니다. 이 효과는 공기 중의 이온 형성으로 인한 것으로 밝혀졌습니다. 브래그는 연속파면의 작은 부분에 의해서만 전달되기에는 너무 많은 에너지가 개별 가스 분자에 전달된다는 것을 발견했습니다. Barkle과 Bragg의 결과가 서로 일치할 수 없었기 때문에 명백한 모순의 이 기간은 1912년 한 번의 실험으로 갑자기 끝났습니다. 이 실험은 아이디어와 사람들의 행복한 조합에 의해 수행되었으며 물리학에서 가장 위대한 업적 중 하나로 간주될 수 있습니다. 첫 번째 단계는 대학원생인 Ewald가 이론 물리학자 Max Laue(1879-1960)를 찾았을 때 취했습니다. 라우에의 관심을 끈 Ewald의 아이디어는 다음과 같습니다. X선이 파동인지 확인하려면 회절 실험을 해야 합니다. 그러나 인공 회절 시스템은 분명히 너무 조잡합니다. 그러나 그 결정은 인공적으로 만들어진 어떤 것보다 훨씬 더 미세한 자연적인 회절 격자입니다. X선은 결정에 의해 회절될 수 있습니까? Laue는 실험자가 아니었고 도움이 필요했습니다. 그는 Sommerfeld(1868–1951)에게 조언을 구했지만 열 운동이 결정의 올바른 구조를 크게 방해할 것이라고 말하면서 그를 지지하지 않았습니다. 실험. 다행히 Friedrich는 다른 견해를 가지고 있었고 그의 친구 Knipping(1883–1935)의 도움으로 이 실험을 비밀리에 수행했습니다. 그들은 대부분의 실험실에서 구할 수 있는 황산구리 결정체를 선택하고 장치를 조립했습니다. 첫 번째 노출은 결과를 제공하지 않았습니다. 결정이 반사 회절 격자 역할을 해야 한다고 믿었기 때문에 X선 소스인 튜브와 결정 사이에 플레이트를 배치했습니다. 두 번째 실험에서 Knipping은 크리스탈 주변의 모든 면에 사진 건판을 배치해야 한다고 주장했습니다. 결국 모든 가능성을 고려해야 했습니다. X선 빔의 경로에 있는 수정 뒤에 위치한 판 중 하나에서 그들이 찾던 효과가 발견되었습니다. 이것이 X선 회절이 발견된 방법입니다. 1914년 라우에는 이 발견으로 노벨상을 수상했습니다. 1913년 러시아의 G. V. Wulff와 영국의 Bragg의 아버지와 아들은 Laue와 그의 친구들의 실험을 한 가지 중요한 변화로 반복했습니다. 그들은 표면에 대해 서로 다른 각도에서 결정에 X선을 조사했습니다. 이 경우에 얻은 X선 이미지를 사진판에서 비교함으로써 연구자들은 결정에서 원자 사이의 거리를 정확하게 결정할 수 있었습니다. 브래그스는 1915년 노벨상을 받았다. 그래서 두 가지 근본적인 과학적 사실이 물리학에 나타났습니다. x-선은 광선과 동일한 파동 속성을 가지고 있습니다. X-ray의 도움으로 인체의 내부 구조뿐만 아니라 결정의 깊이까지 들여다 볼 수 있습니다. 과학자들은 X-선을 사용하여 이제 결정을 비정질체와 쉽게 구별하고 빛에 불투명한 금속 및 반도체의 깊이에서 원자 사슬의 이동을 감지하고 강한 가열 및 깊은 냉각 중에 발생하는 결정 구조의 변화를 결정할 수 있습니다. 압축과 긴장. 뢴트겐은 특허를 받지 않고 모든 인류에게 자신의 발견을 제공했습니다. 이를 통해 전 세계의 설계자들이 다양한 X선 기계를 발명할 수 있었습니다. 의사들은 엑스레이의 도움으로 환자의 질병에 대해 가능한 한 많이 배우고 싶었습니다. 곧 그들은 골절뿐만 아니라 위의 구조적 특징, 궤양과 종양의 위치에 대해서도 판단할 수 있었습니다. 일반적으로 위장은 엑스레이에 투명하며 독일 과학자 Rieder는 사진을 찍기 전에 환자에게 먹이를 줄 것을 제안했습니다 ... 황산 바륨 죽. 황산바륨은 인체에 무해하며 근육이나 내부 조직보다 X선에 훨씬 덜 투명합니다. 사진은 인간의 소화 기관이 좁아지거나 확장된 것을 보여줍니다. 보다 최근의 X선관에서 뜨거운 텅스텐 나선은 전자의 흐름을 방출하며 이에 대해 철 또는 텅스텐의 얇은 판의 반대음극이 위치합니다. 전자는 양극극에서 강한 X선 흐름을 차단합니다. 강력한 X선 소스가 지구 외부에서 발견되었습니다. 새로운 초신성의 깊이에는 고강도 X선이 생성되는 과정이 있습니다. 천문학자들은 지구로 들어오는 X선 플럭스를 측정함으로써 우리 행성에서 수십억 킬로미터 떨어진 곳에서 일어나는 현상을 판단할 수 있습니다. 과학의 새로운 분야가 생겼습니다 - X선 천문학 ... XNUMX세기의 기술은 X선 분석 없이는 오늘날 사용할 수 있는 다양한 재료의 장엄한 집합을 마음대로 사용할 수 없습니다. 저자: Samin D.K.
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